歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1937柯林頓‧戴維森

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-03-09
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    1937年的諾貝爾物理獎頒給在貝爾實驗室任職的美國的物理學家柯林頓‧戴維森 (Clinton Davisson,1881-1958) 和英國亞伯丁大學的物理教授喬治·湯姆森 (Sir George Thomson,1892-1975),他們各自在1927年發現了電子繞射現象,證實了法國科學家德布羅伊的”物質波”假設,這個假設在量子力學發展扮演著極為重要的角色。德布羅伊早在1929年就得到諾貝爾物理獎的肯定。證實這個假設的兩位實驗物理學家也在八年後得獎,稱得上是實至名歸。
     

    Clinton_Davisson

    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/davisson-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6186817
     

    戴維森是普林斯頓的物理博士,原先在卡內基理工學院擔任副教授。1917 年,美國參戰後,他暫時離開了學校,到西部電氣公司 (Western Electric Company) (後來的貝爾實驗室) 的工程部門,從事軍事科技研究。一戰結束後,戴維森接受了西部電氣公司提供的永久職位工作,並且獲得保證,他可以自由地從事基礎科學研究。戴維森從1921年開始用電子轟擊氧化物陰極。當他發現有少量電子與靶發生大角度彈性碰撞後,就興致勃勃想要利用電子束來研究原子的結構。他的實驗其實很單純,就是發射電子束垂直地撞到鎳的晶體表面上,然後測量反射電子的數量如何隨檢測器和鎳晶體之間的角度而變化。實驗用的電子槍是加熱的鎢絲,釋放出熱激發的電子,然後電子通過電位差加速。為了避免電子與其他原子發生碰撞,該實驗是在真空室內進行的。為了測量以不同角度散射的電子數量,使用了可以在圍繞晶體的電弧路徑上移動的電子檢測器。(如圖)
     

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    By Roshan - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20127070
     

    但是這個看似簡單的實驗進行得並不順利,做了兩年之後連原來的助理都掛冠求去。所幸後來戴維森找到了新幫手,雷斯特‧革末 (Lester Germer ,1896-1971) 革末是康乃爾大學畢業,一戰時加入空軍,曾擊落四架德軍戰鬥機。他與戴維森在1924年恢復了原本中斷的電子實驗。1925年二月初在實驗過程中,空氣意外進入了反應室,在鎳表面上產生了氧化膜。為了去除氧化物,Davisson和Germer在高溫烘箱中加熱了樣品,卻不知道這會導致鎳的以前的多晶結構形成大的單晶區域,其晶面在電子束的寬度上連續。當他們再次開始實驗並且電子撞擊到表面時,產生了意想不到的圖案,這圖案不再是由原子結構所產生,而是鎳的原子排列所造成的,然而戴維森卻勘不透這個結果,如墮五里霧中。
     

    事情的轉機是戴維森參加了1926年夏天,由英國科學發展協會主辦的牛津會議。在這次會議上,他聽到了量子力學的最新進展。令戴維森驚訝的是,馬克斯‧波恩 (Max Born) 使用了戴維森1923年當年在《科學》雜誌上發表的研究中的結果來支持德布羅伊假設。他瞭解到,在過去幾年中,其他科學家如沃爾特‧埃爾薩瑟 (Walter Elsasser),EG戴蒙德 (EG Dymond) 和布萊克特 (Patrick Blackett) 詹姆斯‧查德威克 (James Chadwick) 和查爾斯‧埃利斯 (Charles Ellis) 都曾嘗試進行類似的繞射實驗,但他們都因為無法產生足夠好的真空或檢測所需的低強度電子束而功虧一簣。回到美國後,戴維森 (Davisson) 對試管的設計和探測器的安裝進行修改。終於在1927年的一月初,戴維森和革末在65 伏特的和θ= 45°的條件下產生了一個很強的繞射信號!他們持續研究到三月,四月他們在《自然》雜誌發表了標題為“鎳單晶對電子的散射” 的文章。一個月後英國的喬治‧湯姆森和安德魯‧瑞德 (Andrew Reid) 也在《自然》雜誌的文章發表了標題為“陰極射線透過薄膜的繞射”,獨立地證實了德布羅伊的假設。喬治‧湯姆森出生於英國劍橋,是物理學家約瑟夫‧湯姆森 (也稱J. J.湯姆森) 的兒子。湯姆森去了劍橋的珀斯學院,然後在劍橋的三一學院讀數學和物理學,直到1914年第一次世界大戰爆發,當時他在法國短暫服役後,於1915年轉到皇家飛行隊,在法恩伯勒和其他地方的皇家飛機公司從事空氣動力學研究。在第一次世界大戰中短暫服役後,移居到蘇格蘭的亞伯丁大學。他就是在亞伯丁獨立地發現電子繞射。
     

    有趣的是喬治‧湯姆森的父親是1906年諾貝爾物理學獎獲得者。獲獎的理由是發現電子。父子倆人都因電子獲獎,但是父親證實了電子是粒子,兒子卻發現電子有繞射現象,這也算是科學史上的一段佳話。在1930年代末期和第二次世界大戰期間,湯姆森專門研究核子物理,專注於實際軍事應用。特別是湯姆森 (Thomson) 在1940-1941年間擔任重要的MAUD委員會主席,得出的結論是原子彈是可行的。戰後他繼續從事核能方面的研究,但還撰寫了有關空氣動力學和科學在社會中的價值的著作。湯姆森 (Thomson) 留在帝國理工學院 (Imperial College) 直到1952年,他成為劍橋科珀斯克裏斯蒂學院的院長。1975年在劍橋過世。戴維森在1946年從貝爾實驗室退休,轉到維吉尼亞大學任教,1958年在維吉尼亞州過世。有趣的是根據諾貝爾基金會公開的資料,戴維森被提名四十四次,其中二十六次是與革末一起被提名的。而喬治‧湯姆森只被提名八次,其中有七次是與戴維森以及革末一起被提名的。為什麼革末沒有得獎呢?也許他也很納悶吧。1945年, 49 歲革末開始了攀岩的副業生涯。在美國東北部很多地方,都有他的足跡。於 1971 年,在他的 75 歲生日的前一星期,當他又在先鋒攀登 Shawangunk Ridge 的時候,不幸因心肌梗塞而過世。

     

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